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Magnetregler mit mehreren, durch vorgespannte Gleichrichter abwechselnd
wirksam gemachten Steuerwicklungen In der Regelungstechnik liegt häufig das Problem
vor, in Abhängigkeit von einem vorgegebenen oder erst im Laufe der Regelung erreichten
Zustand verschiedene Regelaufgaben einsetzen oder einander sich ablösen zu lassen.
Derartige Regelaufgaben können beispielsweise sein die Regelung auf konstante Spannung,
Regelung auf konstanten Strom und Regelung auf konstante Leistung, wobei die Reihenfolge
und der Übergang von einer Regelaufgabe auf die andere davon abhängig gemacht wird,
daß einzelne Regelgrößen bestimmte Sollwerte erreicht haben. Zum Beispiel ist es
bei der Ladung von Batterien vorteilhaft, die Ladung zunächst mit einem konstanten
Strom vorzunehmen, ab einer gewissen Spannung die weitere Ladung mit konstanter
Spannung zu betreiben und das Ende des Ladevorganges wieder bei einem konstanten,
jedoch wesentlich kleineren Strom durchzuführen. Die Erfindung befaßt sich nun mit
einem Magnetregler zur Durchführung letztgenannten Regelungsproblems.
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Es sind bei Haspelsteuerungen und Walzwerksantrieben schon Anordnungen
bekanntgeworden, bei denen durch die wahlweise Verwendung der verschiedenen Wicklungen
einer Querfeldverstärkermaschine die Beeinflussung des Antriebes erfolgte. Dabei
wurde es durch vorgespannte Gleichrichter ermöglicht, verschiedene Wicklungen erst
dann wirken zu lassen, wenn während des Betriebes gewisse Grenzwerte erreicht wurden.
Diese Grenzwerte waren die Leerlaufdrehzahl und der maximal zulässige Strom. Auch
ein
Magnetregler wurde schon zu einer Strombegrenzung in der Weise
verwendet, daß ein vorgespannter Gleichrichter bei Erreichen eines bestimmten zulässigen
Stromes eine Steuerwicklung wirksam werden ließ, wodurch dann dieser Strom begrenzt
wurde.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Magnetregler mit mehreren,
durch vorgespannte Gleichrichter abwechselnd wirksam gemachten Steuerwicklungen
für verschiedene einander ablösende Regelabschnitte, insbesondere für Batterieladegeräte.
Sie ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungen für die Gleichrichter
in an sich bekannter Weise von einer gemeinsamen Spannungsquelle geliefert werden,
an die mehrere Sollwertpotentiometer angeschlossen sind. In diesem Zusammenhang
ist schon bekanntgeworden, mehrere mit einer gemeinsamen Spannungsquelle vorgespannte
Gleichrichter als Zweipol mit geknickter Kennlinie zu verwenden. Demgegenüber besteht
die Aufgabe der Erfindung, mit einer gemeinsamen Spannungsquelle mehrere Verbraucher,
nämlich die Steuerwicklungen, mit verschiedenen Charakteristiken zu verschiedenen
Zeiten zu speisen. Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß die Lieferung
aller Sollwerte aus einer einzigen stabilisierten Spannungsquelle erfolgen kann.
Für die Durchführung der verschiedenen Regelaufgaben ist also nur erforderlich,
jeder Steuerwicklung ein Potentiometer und einen entsprechend bemessenen Gleichrichter
mit gewissen Schwellwertcharakteristiken zuzuordnen. Der Erfindungsgegenstand ermöglicht
eine übersichtliche und billige Lösung der Aufgabe, komplizierte Regelprogramme
selbsttätig ablaufen zu lassen.
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Die Erfindung wird an Hand des nachstehenden Ausführungsbeispieles
erklärt, das sich mit der Batterieladung befaßt. Fig. i bezieht sich auf die bei
einer Ladung von Sammlern anfallenden verschiedenen Regelaufgaben. In Abhängigkeit
von der Zeit t sind die Strom- und Spannungsverhältnisse als Kurven U (Spannung)
und J (Strom) aufgetragen, wie sie sich bei der Ladung eines Sammlers ergeben bzw.
wie sie bei einer Sammlerladung vorteilhaft eingehalten werden sollen. Der gesamte
Ladevorgang unterteilt sich in drei Abschnitte. Zu Beginn des ersten Abschnitts
I im Zeitpunkt t, ist angenommen, daß der Sammler ganz entladen ist. Es besteht
hier die Aufgabe, den Ladestrom J auf einen vorgesehenen Wert J, konstant zu halten.
Indessen darf die Sammlerspannung von etwa 1,8 bis 2 V im entladenen Zustand bis
auf etwa 2,4 V ansteigen. In dem anschließenden Ladebereich II von t2 bis t3 besteht
die Forderung, die Sammlerspannung U konstant zu halten. Dabei sinkt der Ladestrom
J beständig, da sich der Sammler langsam dem vollgeladenen Zustand nähert. Der Abschnitt
II stellt gewissermaßen einen Überleitungsabschnitt dar, in dem auf den nun folgenden
Nachladeabschnitt III übergeleitet wird, der im Zeitpunkt t3 einsetzt. Der Sammler
nimmt dann nur noch einen geringen Nachladestrom auf, währenddessen die Sammlerspannung
langsam den Sättigungswert von etwa 2,7 V erreicht. Im letzten Abschnitt III besteht
die Aufgabe, den geringen Restladestrom JIII konstant zu halten. Nachdem die Ladung
im Zeitpunkt t4 beendet ist, muß abgeschaltet werden, um ein Gasen, das ist eine
elektrolytische Zersetzung der Sammlerflüssigkeit, zu verhindern.
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In Fig. 2 ist schematisch ein Anwendungsbeispiel der Einrichtung nach
der Erfindung dargestellt, das sich auf eine Sammlerladung nach dem oben beschriebenen
Programm bezieht. Die verschiedenen dabei anfallenden Regelaufgaben «erden selbsttätig
abgewickelt. Der zu ladende Sammler ist mit i bezeichnet. Er ist über ein gittergesteuertes
gas- oder dampfgefülltes Entladungsgefäß 2 an ein Drehstromnetz 3 angeschlossen.
Der Gleichrichtertransformator ist mit 4 bezeichnet. Ein weiterer Transformator
5 ist für den die Zündimpulse liefernden Spitzensteuersatz 6 vorgesehen, der einen
mittels eines Widerstandes7 einstellbaren Vormagnetisierungsstrom durch die Wicklung
8 über die Gleichrichteranordnung 9 von einer Wechselstromquelle io erhält, an deren
Stelle gegebenenfalls auch das Drehstromnetz 3 vorgesehen sein kann. Die eigentliche
Steuerwicklung des Spitzensteuersatzes 6 ist mit ii bezeichnet. An ihn ist der Magnetregler
12 mit den Sekundärwicklungen 13 und 14 über die Gleichrichteranordnung 15 angeschlossen,
die ebenfalls von der Wechselstromquelle io gespeist wird. Die vier je hälftig unterteilten
primären Wicklungen 171'i8, 19/2o, 2i/22 und 23/2q. dienen zur Vormagnetisierung
des Magnetreglers i2. Sie sind an einstellbare Potentiometer 25 bis 27 angeschlossen,
denen einerseits die Regelgrößen für die einzelnen Regelaufgaben und andererseits
konstante, entsprechende Vergleichsgrößen als Sollwerte zugeführt sind. Letztere
sind aus einer gemeinsamen Spannungsquelle, der Wechselstromquelle io über eine
Gleichrichteranordnung 28 und einen Spannungsgleichhalter 29 entnommen und mittels
der Potentiometerabgriffe e, c und b einstellbar. Als Regelgrößen dienen die Spannung
des zu ladenden Sammlers i und der Ladestrom, der an den Widerstand 30 in
einen verhältigen Spannungsfall umgewandelt wird. Während die Wicklungen 23/2q.
in Verbindung mit dem veränderbaren Widerstand 31 für die Festlegung des Arbeitspunktes
der Steuerkennlinie des Magnetreglers i2 dient, sind die Wicklungen 17/18, 19/2o
und 2o/21 die eigentlichen Steuerwicklungen, denen die verschiedenen Regelaufgaben
zugeordnet sind. Drei Ventile 32 bis 34 dienen als Steuerhilfsmittel für die selbsttätige
Abwicklung des Ladevorganges.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 hinsichtlich
der selbsttätigen Abwicklung der einzelnen Regelvorgänge der bei Ladung des Sammlers
i sei noch auf Fig. 3 Bezug genommen, die einige Teile aus Fig. 2 in etwas vergrößerter
und übersichtlicherer Darstellung mit den entsprechenden Bezugszeichen noch einmal
wiedergibt. Die wirkungsmäßig zusammengehörenden Hälften der primären Wicklungen
sind dabei jeweils zu einer Wicklung vereinigt. Es sei angenommen, daß der Sammler
i völlig entladen sei. Die Ventile 32 bis 34 sperren zunächst; die Ventile 32 und
33, weil sie in Sperrichtung beansprucht werden, das Ventil 34, weil seine Schwellspannung
noch nicht erreicht ist. Die Wicklungen 19/2o und 21/22 sind also stromlos, und
es fließt nur ein Strom J1 in der Wicklung 17/18, der den Magnetregler i2 und damit
den Ladegleichstrom durch das
Entladungsgefäß 2 durch Beeinflussung
des Spitzensteuersatzes 6 über die Wicklung ii steuert, so daß die Istspannung am
Widerstand 3o, also an den Klemmen a und f, ungefähr gleich dem an
dem Potentiometer 27 eingestellten Sollwert wird; d. h., es wird zunächst auf einen
konstanten Ladestrom J, (Fig. i) geregelt. Die Aussteuerung des Entladungsgefäßes
2 erfolgt in an sich bekannter Weise als Phasenanschnittssteuerung. Es kann jedoch
auch ein anderes geeignetes Aussteuerungsverfahren verwendet werden.
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Sobald die Spannung U des Sammlers, also an den Punkten
d und f, einen mittels des Potentiometers 25 eingestellten Wert, der
einer Spannung von etwa 2,4 V je Sammlerzelle entspricht, erreicht hat, ist der
erste Ladeabschnitt I beendet. Der Gleichrichter 32 wird bei geringfügigem weiterem
Ansteigen der Spannung an den Punkten d und f nunmehr in Durchlaßrichtung
beansprucht, und sein Strom IU (Fig. 3) wirkt jetzt mit auf die Vormagnetisierung
der Regeldrossel 12 ein. Diese Vormagnetisierung wirkt jedoch der durch die Wicklung
17/i8 erzeugten Vormagnetisierung entgegen, und da die Wicklung 21/22 eine größere
Amperewindungszahl als die Wicklung i7/18 aufweist, wird der Strom J in dem nun
beginnenden Ladeabschnitt II beständig verringert, während die erreichte Spannung
U von etwa 2,4 V je Zeile konstant bleibt. Der Sammler i lädt sich indessen immer
weiter, bis der Strom J den Wert JIII erreicht hat. Infolge der Abnahme des Stromes
J im Ladebereich II müßte die Vormagnetisierung durch die Wicklung 17/18 eigentlich
erheblich ansteigen. Dies ist jedoch nur bis zu einem bestimmten Wert erwünscht
und wird verhindert durch das Ventil 34. Übersteigt die Spannung an den Wicklungen
171i8 den Schwellwert desselben, so fließt von da ab der durch die höhere Spannung
bedingte zusätzliche Strom im wesentlichen über das Ventil 34, und die Vormagnetisierung
erhöht sich praktisch nicht weiter. Für die Wicklung 21/22 ergibt sich dadurch,
daß sie nur sehr wenige Amperewindungszahlen auszuweisen braucht, um eine Kompensation
der Wicklung 17/18 zu bewirken. Es wird so eine erhebliche Einsparung an Wickelraum
und Material ermöglicht.
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Bei einer geringen Unterschreitung des Wertes JIIi beginnt der Ladeabschnitt
III, indem durch die Wicklung 19,.'2o nunmehr eine weitere Vormagnetisierung des
Magnetreglers 12 einsetzt. Die Spannung an dem Potentiometer 26 wird jetzt höher
als der Spannungsfall an den Punkten a und f , also an dem Widerstand
30, und das Ventil 33 sperrt nicht mehr, da es jetzt in Durchlaßrichtung
beansprucht wird. Der Strom J2 in der Wicklung 19,'2o erzeugt eine Magnetisierung
im gleichen Sinne wie der Strom J1 durch die Wicklung 17ihre Amperewindungszahl
ist jedoch so bemessen, daß sie zusammen mit der der Wicklung 17;i8 die Amperewindungszahl
der Wicklung 21j22 kompensiert. In diesem Zustand wirkt nur noch die durch die Wicklung
23/24 verursachte Vormagnetisierung, die mittels des Widerstandes 31 einstellbar
ist. Der entsprechende Strom JIIi bewirkt jetzt im Ladeabschnitt III vom Zeitpunkt
t3 ab eine Nachladung bis zum Zeitpunkt t,. Die Sammlerspannung steigt indes auf
einen Sättigungswert von etwa 2,7 Volt an. Damit ist die Ladung beendet. Gegebenenfalls
kann dann ein spannungsabhängiges Signal ausgelöst oder auch eine selbsttätige Abschaltung
des Ladestromes bewirkt werden, wozu sich an sich bekannte Mittel verwenden lassen.
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Durch die vorbeschriebene Schaltung können beliebige Sammlertypen
sowohl hinsichtlich der Spannung als auch hinsichtlich der Kapazität geladen werden.
Es sind ferner Schnelladungen durchführbar. Dazu ist jeweils zu Beginn der Ladung
nur auf die entsprechenden Lade- bzw. Regelgrößen einzustellen. Hierzu dienen die
Abgriffe e, c und b an den Potentiometern 25 bis 27. Die gesamte Ladung wird dann
in Selbststeuerung ohne weiteres abgewickelt.
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Die Erfindung ist nicht auf das in der Figur beschriebene Beispiel
zur selbsttätigen Sammlerladung beschränkt, weder hinsichtlich der dargestellten
Anordnung und Kombination der Mittel für die selbsttätige Steuerung der Regelvorgänge
noch auf die Anwendung zur Sammlerladung überhaupt. Auch den anderen steuernden
Wicklungen 19/2o und 2i/22 des Magnetreglers i2 können beispielsweise parallele,
bezüglich des Schwellwertes wirksame Ventile zugeordnet sein. Dadurch wird auch
bei diesen Wicklungen an Raum und Material gespart, und die benötigten Amperewindungszahlen
können erheblich verringert werden. Den Vormagnetisierungswicklungen oder den Ventilen
können zur Erreichung bestimmter Strom-oder Spannungsverhältnisse für die Abwicklung
der Regelvorgänge auch Widerstände in beliebiger Schaltung zugeordnet sein.
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Die an dem Beispiel der Sammlerladung ausführlich dargestellte selbsttätige
Steuerung verschiedener Regelaufgaben läßt sich auch für andere Zwecke und auf anderen
Gebieten verwenden, z. B. bei der Steuerung von Fördermaschinen. Beispielsweise
kann hierbei die normale Regelung zunächst von einer Strombegrenzungsregelung und
schließlich von einer Leistungsregelung selbsttätig abgelöst werden.
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Die beschriebene Ausnutzung der Nichtlinearität von Widerständen und/oder
Ventilen bzw. des Schwellwertes von Ventilen zur Herstellung einer Abhängigkeit
von elektrischen Zustandsgrößen ist nicht auf die Anwendung bei Magnetreglern beschränkt,
sondern hat allgemeine Bedeutung überall dort, wo es sich darum handelt, verschiedene
Regelaufgaben in Abhängigkeit von einem vorgegebenen oder durch die Regelung erreichten
Zustand selbsttätig einsetzen oder sich ablösen zu lassen. Dieses Problem kann beispielsweise
auch in Verbindung mit einer Verstärkermaschine gelöst werden. Die Regelaufgaben
können hierbei beispielsweise sein: Regelung auf konstante Spannung, Regelung auf
konstanten Strom und Regelung auf konstante Leistung, wobei die Reihenfolge und/oder
der Übergang von einer Regelaufgabe auf die andere davon abhängig gemacht ist, daß
einzelne Regelgrößen bestimmte Sollwerte erreicht haben.